pilarhernandez

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NEUTRINOS: 
PILAR HERNÁNDEZ (U. VALENCIA& CSIC)
NEUTRINOS Y EL UNIVERSO INVISIBLE
P. HERNÁNDEZ
(U. VALENCIA & IFIC-CSIC & IFT-UAM)
Los neutrinos son las partículas más elusivas del Modelo Estándar
Mantienen la coherencia cuántica a distancias >1000km 
Pueden ser su propia antipartícula y la primera ventana a la nueva física ?
Pueden ser la explicación de porqué estamos aquí ?
Son las rélicas del Big Bang que nos llegan desde un Universo más
remoto…
Neutrinos 
La historia de los neutrinos está estrechamente ligada a la 
del Modelo Estándar de partículas elementales
Neutrinos 
El Modelo Estándar “visible”
Materia ordinaria:
ProtónNeutrón
�Interacción fuerte
Interacción
electromagnética
electrón(-)
protón (+)
neutrón
El Modelo Estándar “invisible”
Dos recetas para la “invisibilidad” 
Neutrino:la partícula invisible
O la energía no se conserva o hay algo más que no vemos ?
Radioactividad beta:
1900 Becquerel, M & P Curie, Rutherford….
A
ZN !AZ+1N 0 + e�
E
electron
' (MN �MN 0)c2 = Q = constante
1934: Teoría de la desintegración beta
E. Fermi
(Nobel 1938)
p
n Νe
e
Bethe-Peierls (1934): Calculan la probibilidad de este proceso y declaran
“no hay una forma práctica de detectar un neutrino”
Nature no publicó el artículo: “contained speculations too remote from reality 
to be of interest to the reader…”
n+ � ! p+ e�
p+ �̄ ! n+ e+
Detección de primer neutrino (1956)
6
Project Poltergeist from 1951
Proyecto Poltergeist 
Reactor nuclear: 1020 neutrinos/segundo!
(Primera idea: poner el detector
cerca de una explosión nuclear!)
Reines Nobel 95 Cowan (died 74)
7
They Finally Found the Right Source -
Experimental Detection of the Neutrino
! = (11 ± 2.6) x 10-44 cm2 (within 5% of expected)
 Existence of “second” neutrino "µ established in 1962 by Schwartz, Lederman
and Steinberger at Brookhaven National Laboratory
 First direct evidence for the third (and last?) neutrino - "# - by the DONUT
collaboration at Fermilab in 2000
In nuclear reactors fission of 92U
235 produces chain of beta reactions 
Reines and Cowan detect in 1953 (Hanford) (discovery confirmed 1956 in Savannah River)
1) Detection of two back-to-back $’s from prompt signal e+e-->$$ at t=0.
2) Neutron thermalization: neutron capture in Cd, emission of late $’s
1
2
3
26 YEARS LATER!!
El Modelo Estándar “invisible”
Un desfile de extrañas partículas apareció en detectores de partículas en
globos:
Gemelos gigantes de las partículas
conocidas, otras diferentes a todo lo 
hasta entonces conocido…
⇥ ! µ �̄µ
(x 200 electron)
Who ordered that ? 
Isaac Rabi 
Nuevo neutrino ?
Cascadas en Aceleradores
El sabor de los neutrinos
Nobel 1988 
Lederman Schwartz Steinberger
✓
�e
e
◆✓
�µ
µ
◆
De balas a colisionadores…
Interacciones débiles
p
n
W
Νe
e
Interacciones débiles lo son porque involucran el intercambio de un bosón masivo
A altas energías: interacciones electromagnéticas y débiles se unifican en la teoría
electrodébil
GF ⇠
1
M2W
p
n Νe
e
¿ Por qué no más familias ?
p
n
W
Νe
e
Z0
ne
e+
Only three neutrinos -> three SM families!
e+e� ! Z0 ! ff̄
e-
Después de más de un siglo de trabajo….
The Higgs particle
Pensamos que esto no puede ser el fin de la historia y …
los neutrinos son los primeros que se han salido del guión !!
Ubicuos Neutrinos 
Están en todas partes…
Sol: 5 x 1012/segundo
Atmósfera: ~20/segundo
Tierra: ~109/segundo
Ubicuos Neutrinos 
Supernova 1987: ~1012/segundo
@168000 años luz ! 
(108 x más lejos que el sol)
Big Bang: ~2 x 1012/segundo
Ubicuos Neutrinos 
PeV neutrinos de origen desconocido…
Astronomía con fuentes múltiples 
Las estrellas brillan neutrinos 
1939 Bethe 
Establece la teoría de la nucleosíntesis estelar
Nobel 1967
¿Cuantos neutrinos ?
Bahcall (died 2005)
1 n cada día en una piscina (400000 litros de cloro)… 
Nobel 2002
Raymond Davies 
El héroe de las cavernas
Pero no convenció a nadie, porque vio el 30% de los que esperaba…
Problema en el detector ? En el modelo solar ? En los neutrinos ?
1966 por primera vez detecta los neutrinos solares una
piscina clorada de 400000 litros enterrada 1478 metros 
en la mina Homestake
Oscilaciones de Neutrinos
�
|⌫↵i =
3X
i=1
U⇤↵i|⌫ii, ↵ = e, µ, ⌧
El neutrino de sabor ”electron” (ie. se produce en combinación
con un electron) es una superposición de los tres neutrinos 
masivos: los neutrinos están mezclados
Hay una probabilidad no nula de que si se mide el sabor a una cierta distancia 
de la fuente, este haya cambiado
W+
νe
e+
W+
νµ
µ+
W+
ντ
τ+
Oscilaciones de neutrinos: mecánica
cuántica a distancias macroscópicas
•Dualidad cuántica onda-partícula: cada neutrinos masivo se propaga
como una onda monocromática
•Interaccionan tan poco que pueden mantener la coherencia cuántica a 
distancias enormes
•La interferencia de las ondas de cada neutrino masivo da lugar al cambio
de sabor
The probability to find a at any time is the same, but the probability
to find a is zero.
n�nµ
n� nµ
Analogía clásica: péndulo acoplado
La probabilidad de tener oscila con el tiempo y lo mismo la de tenern� nµ
Estados masivos=modos normales
The probability to find a o does not change with timen� nµ
Loscs
in
2 2
⇤
L
Pr
ob
��⌅
⇥⇥
L
osc
(km) =
�
1.27
E(GeV )
�m2(eV 2)
Oscilación de 2n
⌫e = cos ✓ ⌫1 + sin ✓ ⌫2
Koshiba
Nobel 2002
Catedrales de luz subterraneas
e- n
SuperKamiokande (22.5 kton!)
SNO
Neutrinografía del sol!
Sensible a los ne Sensible a los ⌫e, ⌫µ, ⌫⌧
Se debería poder ver enviando
neutrinos de reactores a 100km !
� �
El sabor de los neutrinos del sol
KamLAND: la oscilación solar en la tierra
Reines&Cowan experiment medio siglo más tarde, 
a 170 km de los reactores Japoneses antes del gran 
terremoto
q
�m2
solar
' 0.00000000001⇥m
proton
Neutrinos de la atmósfera
� � � µ
q
Neutrinos de reactores también oscilan con la 
longitude de onda atmosférica
Double Chooz, Daya Bay, RENO 
10% effect 
Neutrinos de accelerators también
Haces de neutrinos pulsados a distancias de 700 km 
� � � � �
� � � � 	
⌫µ ! ⌫⌧
“For the discovery of neutrino oscillations, 
which shows that neutrinos have mass”
� � Qué es un neutrino masivo en el espejo ?
�
Dirac Majorana
Otra partícula sin carga Su propia antipartícula ! 
¿ Por qué los neutrinos son tan ligeros ? 
Por qué los neutrinos son tan ligeros ?
Mecanismo del balancín…
m⌫
me
/ v
⇤
mf 
mn
L
�
SM
Neutrinos de Majorana -> nueva física
m⌫ = �
v2
⇤
Masa del mediador
�
Por qué estamos aquí ? Por qué sólo hay materia en el 
Universo ?
La asimetría entre materia y antimateria
Cuando la temperatura en el Universo era de � � � � grados
Podría generarse dicha asimetría entre materia/antimateria dinámicamente ?
La génesis de los bariones: la receta 
Un agente doble: eg. neutrino de Majorana
Sútil diferencia entre la dinámica en 
los dos mundos: violación de CP
Majorana y un nuevo tipo de radioactividad ? 
Desintegración doble beta sin neutrinos 
Un experimento bajo los pirineos (en el tunel de Canfranc)
está intentado descubrir al agente doble…
El experimento NEXT@Canfranc
Violación de CP en oscilaciones de neutrinos: 
superbeams+superdectectors
USA DUNE: 1300km
Japan Hyper-Kamiokande: 230km
⌫µ ! ⌫e
� � �
⌫̄µ ! ⌫̄e
Los neutrinos han dejado su impronta en la historia del Universo
Formación de galaxiasSíntesis de nucleos
La primera foto del Universo
Los primeros 3’ del Universo
La abundancia de los elementos ligeros (He, Li, etc) es muy sensible al número
de neutrinos ligeros
T= 1000.000.000 K
La primera foto del Universo
Planck
Ruido/olas en la radiación de microondas: es una foto de 
cuando el universo estaba a 3000K
Cuantos protones/neutrones, cuantos neutrinos, cuanta materia total…
la materia ordinaria no es suficiente: materia oscura
Materia oscura
Distorsiona la luz que la cruza (lente gravitacional)La estructura a gran escala
El ruido del universo primitivo acabó convirtiendose en los cumulos de 
galaxias que vemos hoy (el universo está a 2.7K)
Y la expansión del Universo se está acelerando: energía oscura
El Universo invisible
No vemos el 95% de la energía del universo, pero no entendemos nada de lo que 
vemos ! 
La materia oscura podría ser una partícula nueva, aún por
descubrir: ej. el mediador de las masas de los neutrinos ? 
n n
n
n
n
n
n
n
Absolute mass scale
Best constraints at present from cosmology
Si pudieramos medir los neutrinos cósmicos tendríamos
una foto del universo mucho más primitivo
Deberes para el futuro…
These elusive pieces of reality have brought many surprises, maybe 
they will continue with their tradition…
� � � � � � 
 	 � �
Era de los grandes colisionadores
Dos características más intrigantes
asimetría de paridad
Un neutrino es algo diferente en un espejo!
repetición de estructuras: familias o sabores
Majorana (desaparecido 1938)
“Hay muchas categorías de científicos, gente de segunda o tercera fila, quienes
hacen algo bueno, pero no van más allá. Hay también científicos de primera fila, 
quienes hacen grandiosos descubrimientos, fundamentales para el desarrollo de 
la ciencia. Pero después están los genios, como Galileo y Newton. Bueno, Ettore
Majorana era uno de ellos.” 
Fermi
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